最新研究发现了生物膜如何在表面生长和扩展的观点

微生物学家长期以来一直采用人类居住的语言来描述细菌如何生活和生长：它们“入侵”并“殖民”。关系密切的关系是“殖民地”。

通过将超分辨率成像技术与计算算法结合使用，Nature Communications的一项新研究证实了这种隐喻比科学家们可能已经意识到的更贴切。研究结果表明，随着单个细菌繁殖并生长成致密且粘稠的生物膜(例如形成牙菌斑的群落)，它们的生长方式和动态与城市的增长相仿。

宾州牙科医学院教授，​​研究工作的高级作者Hyun(Michel)Koo说：“从最初的定殖到生物膜形成，数百种细菌分布在表面上，我们采取这种'卫星水平'的观点。”“而且我们看到的是，其增长的空间和结构特征非常类似于我们在城市化中看到的。”

关于生物膜如何生长的新观点可以帮助促进努力促进有益微生物的生长，或者通过治疗剂分解并杀死不良的生物膜。

这项研究的想法源于Koo之间的对话。Penn牙科医学助理教授Geelsu Hwang，他将工程学应用于口腔健康问题;物理学家Amauri Paula曾在Koo实验室担任客座教授。

Koo说：“通常，当人们研究生物膜时，他们会在狭窄的视野中分析单个细胞，因为它会繁殖，变成簇并开始聚集。”“但是我们想知道是否同时跟踪多个单独的细胞，是否可以识别出较大的长度模式。”

Hwang开发了功能强大的延时成像工具，该工具采用了共聚焦激光扫描显微镜技术，能够分析表面形貌并跟踪随时间推移在三个维度上向下扩散到单个细胞的细菌。同时，Paula致力于建立一种算法，可以分析这种增长随时间的行为。

在他们的研究中，他们使用了变形链球菌(Streptococcus mutans)微生物，它是一种口腔病原体，当形成生物膜(通常称为牙菌斑)并释放出会腐蚀牙釉质的酸时，会引起蛀牙。

他们将细菌散布在牙齿珐琅质的材料上，并在数小时内随着数百个个体微生物的分裂和生长而生长。

研究小组发现，总体而言，增长方式让人联想到城市地区的形成。一些个体的“定居者”成长为小细菌的“村庄”。然后，随着村庄边界的扩大，在某些情况下会合，它们合并形成更大的村庄，最终形成“城市”。这些城市中的一些然后合并形成更大的“特大城市”。

令研究人员感到惊讶的是，他们的结果表明只有一部分细菌在生长。Koo说：“我们认为大多数细菌最终都会生长。”“但是实际数字还不到40%，其余的要么消失，要么被其他小殖民地的增长所吞没。”

他们也没想到这种吞噬发生时会缺乏抑制。他们认为，随着不同的小殖民地的相遇，他们可能会相互竞争，导致两条边缘可能会排斥。